吐哈盆地深層天然氣井優(yōu)快鉆完井技術(shù)

徐麗琴

（中國(guó)石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆鄯善838202）

吐哈盆地深層天然氣井優(yōu)快鉆完井技術(shù)

徐麗琴*

（中國(guó)石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆鄯善838202）

勝北、紅臺(tái)、巴喀等區(qū)塊是吐哈油田天然氣上產(chǎn)的重點(diǎn)領(lǐng)域，從分析紅臺(tái)、勝北、巴喀等天然氣建產(chǎn)主要區(qū)塊鉆井難點(diǎn)出發(fā)，開(kāi)展天然氣領(lǐng)域復(fù)雜巖性剖面全新鉆頭設(shè)計(jì)、新型防卡鉆具組合、煤層安全鉆井等技術(shù)攻關(guān)，并在50口井進(jìn)行試驗(yàn)及推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜天然氣藏鉆井提速突破。

天然氣；鉆頭設(shè)計(jì)；儲(chǔ)層保護(hù)；優(yōu)快鉆井

勝北、紅臺(tái)、巴喀等區(qū)塊是吐哈油田天然氣上建產(chǎn)重點(diǎn)領(lǐng)域，受一系列瓶頸問(wèn)題的制約，該領(lǐng)域前期鉆井速度慢、周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)效果差，鉆井技術(shù)不能滿足天然氣快速建產(chǎn)的緊迫需求，主要技術(shù)難點(diǎn)表現(xiàn)為：勝北白堊系地層厚層大粒徑礫石發(fā)育，前期鉆井PDC鉆頭使用受限導(dǎo)致鉆井速度慢。紅臺(tái)上部地層井壁穩(wěn)定性差，易發(fā)生憋、卡等復(fù)雜，硬脆性泥巖發(fā)育導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢；巴喀地層傾角大井身質(zhì)量控制難、煤層發(fā)育復(fù)雜事故多、下部致密砂巖鉆速慢。

1　區(qū)域鉆井難點(diǎn)分析

（1）勝北區(qū)塊中部地層1700～2450m礫石發(fā)育，可鉆性較差、研磨性較強(qiáng)，常規(guī)PDC鉆頭使用效果差，采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)以及引起的起下鉆施工影響整體鉆井施工效率。

（2）紅臺(tái)水平井鉆井由于儲(chǔ)層的不連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)水平段鉆井需穿越150～250m泥巖，目前鉆井液體系穿越泥巖主要采用提高密度措施，但上部漏層和水平段易塌層泥巖處于同一裸眼，高比重防塌與漏失的矛盾突出。同時(shí)由于水平段頻繁軌跡調(diào)整（每口井2～3次），導(dǎo)致上部泥巖段浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)坍塌周期（一般在35d左右），出現(xiàn)不同程度的垮塌現(xiàn)象，形成不規(guī)則井眼，大肚子井段環(huán)空鉆井液返速降低，導(dǎo)致攜砂困難。

（3）巴喀區(qū)塊構(gòu)造地質(zhì)條件復(fù)雜，受煤上地層傾角大（40°～70°）、中下部地層煤層發(fā)育（最長(zhǎng)跨度2243m、最大累計(jì)厚度252m、最多層數(shù)84層、單層最厚73m）等因素影響，鉆井過(guò)程中煤上防斜打快與煤層安全鉆井問(wèn)題突出，最終導(dǎo)致煤系地層鉆井速度慢、鉆井周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了山前帶勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

2　鉆井提速配套技術(shù)

2.1全新PDC鉆頭優(yōu)化選型

針對(duì)各區(qū)塊鉆井難點(diǎn)及地層特征提出PDC鉆頭設(shè)計(jì)思路：①勝北——大粒徑厚礫石：設(shè)計(jì)雙排齒PDC，提高攻擊性與切削效率。②紅臺(tái)——硬脆性泥巖：超寬流道，深排屑槽，避免泥包；大螺旋、斜刀翼，主動(dòng)切削地層；冠部頭型更尖銳，超強(qiáng)攻擊性。③巴喀——致密砂巖：保徑為碳化鎢合成塊與PDC鑲嵌齒混合。切削齒多空間多角度小尺寸切屑齒布齒；全角度深度濾鈷抗高溫復(fù)合片。

（1）500～2000m井段：巖性以泥巖為主、夾薄砂礫巖，針對(duì)其地層松軟、可鉆性好的特征，優(yōu)選8-1/2″EM1905ESGU或9-1/2″SD9531ZC型PDC鉆頭，采用五刀翼、?19mm主切屑齒、較高拋物線設(shè)計(jì)，確保較強(qiáng)攻擊性的同時(shí)具有一定的穿礫石夾層能力。

（2）2000～3200m井段：巖性以雜色砂礫巖、棕紅色泥巖不等厚互層為主，針對(duì)其地層可鉆性較好、白堊系存在厚礫巖的特征，優(yōu)選8-1/2″MD6645A或MD6651A型PDC鉆頭，采用六刀翼、?16mm主切屑齒、較低拋物線設(shè)計(jì)，重點(diǎn)強(qiáng)化礫巖穿越能力。

2.2動(dòng)力鉆具優(yōu)化改進(jìn)研究

通過(guò)改進(jìn)螺桿制造工藝、物理特性，推行按需訂制模式，使其具有更長(zhǎng)的井底工作壽命和更高的鉆進(jìn)工況匹配度。豐富了螺桿鉆具品種系列，改變了以前類(lèi)型單一，選擇性、適應(yīng)性差的局面，起下鉆頻次大幅下降，施工效率大幅提高。

傳動(dòng)軸由以前傳統(tǒng)的花瓣式升級(jí)為新型高強(qiáng)度密封球式，提高傳動(dòng)軸和動(dòng)力鉆具整體壽命和安全性；瓣比由以前的5/6中速螺桿鉆具為主優(yōu)化為以7/8中低速為主，增加輸出扭矩；螺桿選用級(jí)數(shù)增至5～6級(jí)，以進(jìn)一步增強(qiáng)輸出動(dòng)力；根據(jù)待鉆工況需求確定穩(wěn)定器的類(lèi)型、加量及配合尺寸。

（1）扶正器類(lèi)型選用三瓣式偏心直棱穩(wěn)定器，如圖1所示。

圖1　動(dòng)力鉆具配合穩(wěn)定器優(yōu)化調(diào)整

（2）如果需要強(qiáng)力增斜，則選用只附下穩(wěn)定器的螺桿，且盡量保證下扶正器尺寸滿眼；如果需要強(qiáng)力穩(wěn)斜，則選用附上下雙穩(wěn)定器的螺桿，且穩(wěn)定器的尺寸以下穩(wěn)定器稍小為宜；如果需要降斜，則選用只附上穩(wěn)定器的螺桿，或不附穩(wěn)定器的螺桿。

2.3新型防卡鉆具組合設(shè)計(jì)

（1）針對(duì)北部山前帶大段易坍塌煤系地層，優(yōu)選螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)方式，一方面減少上部鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)和磨損，更重要的是減少對(duì)井壁的碰撞，提高了鉆具的安全性。為進(jìn)一步提高螺桿鉆具的防卡能力和使用壽命，對(duì)螺桿鉆具進(jìn)行了改進(jìn)。

（2）煤層段優(yōu)選“0-1”鉆具組合（如圖2所示），可有效實(shí)現(xiàn)煤層穩(wěn)斜鉆進(jìn)，避免大井斜穿越煤層，確保煤層安全鉆進(jìn)。

其鉆具組合為：?215.9mm鉆頭+?210mm直棱非對(duì)稱穩(wěn)定器+?165mm單彎螺桿（0.75°）+?212mm螺旋穩(wěn)定器+?159mm螺旋鉆鋌×15根+柔桿+?159mm隨鉆震擊器+?127mmHWDP×9根+?127mmDP。

2.4煤層安全鉆井對(duì)策

圖2　防卡穩(wěn)斜鉆具組合

煤體破碎、塑性、水敏膨脹性、應(yīng)力集中和地層傾斜等客觀因素是煤巖井壁失穩(wěn)的前提，泥頁(yè)巖的膨脹推擠作用和格檔效應(yīng)是泥頁(yè)巖與煤巖相互作用的具體表現(xiàn)，北部山前帶煤層分布廣，單層厚度大，增加了井下復(fù)雜情況出現(xiàn)的機(jī)會(huì)。要解決煤層井壁失穩(wěn)問(wèn)題，應(yīng)該從以下幾方面入手：

（1）必須選擇合適的鉆井液體系和最佳的鉆井液密度。鉆井液必須具有快速、牢固封堵煤層裂縫的功能，良好的泥頁(yè)巖抑制性和造壁性；最佳的鉆井液密度，既能平衡井壁的應(yīng)力，又能在起下鉆過(guò)程中防止煤巖解體、煤層坍塌事故的發(fā)生。

（2）由于吐哈盆地煤層多為煤巖與泥頁(yè)巖交互存在，其厚度多為薄—中厚煤層，所以鉆井液必須對(duì)泥頁(yè)巖具有抑制性，同時(shí)也能抑制煤巖中的粘土礦物，對(duì)泥頁(yè)巖裂縫有良好封堵效果，又不會(huì)使泥頁(yè)巖過(guò)度膨脹擠壓煤巖促使煤層坍塌。

（3）煤巖破碎，井內(nèi)壓力波動(dòng)、水力沖擊、震動(dòng)會(huì)導(dǎo)致煤層瓦斯解析，加速煤巖解體。鉆井工藝上必須減小井內(nèi)壓力波動(dòng)，降低水力沖擊，減少鉆具在井內(nèi)的徑向運(yùn)動(dòng)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，適當(dāng)降低鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制起、下鉆速度，減少鉆具旋轉(zhuǎn)和壓力波動(dòng)對(duì)煤層井壁穩(wěn)定性的影響。

（4）在山前構(gòu)造帶區(qū)域，由于煤層多，單層厚，應(yīng)力集中和地層傾斜等客觀因素，增加了井下復(fù)雜和事故出現(xiàn)的幾率，在鉆進(jìn)中應(yīng)制定更加詳細(xì)和有針對(duì)性的技術(shù)措施，采取降低鉆速、緩慢釋放煤層應(yīng)力，并反復(fù)劃眼修整井壁，及時(shí)擠碎并帶出井下塌塊等措施，確保上部井壁穩(wěn)定和下部鉆進(jìn)安全。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在勝北、紅臺(tái)及巴喀等區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用50井次，其中勝北區(qū)塊推廣應(yīng)用47井次，鉆井周期由53.67d縮短至32.29d，縮短39.8%；機(jī)械鉆速由6.27m/h提高至10.27m/h，提高63.8%；鉆頭用量由7.67只減少至5.21只，減少32.1%；復(fù)雜事故時(shí)效由6.35%降低至2.06%，降低67.6%。巴喀區(qū)塊鉆井提速試驗(yàn)1井次，通過(guò)近年來(lái)持續(xù)攻關(guān)，巴喀致密氣鉆井不斷實(shí)現(xiàn)新跨越。該井鉆井周期52.63d，機(jī)械鉆速5.66m/h，刷新巴喀地區(qū)鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最高2項(xiàng)記錄。紅臺(tái)區(qū)塊直導(dǎo)眼提速試驗(yàn)1井次，鉆進(jìn)周期由55.44d縮短至28.83d，縮短48%；機(jī)械鉆速由6.15m/h提高至8.46m/h，提高37.6%；鉆頭用量由8只減少至6只，減少了25%。創(chuàng)紅臺(tái)區(qū)塊最快鉆井記錄。

4　結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)開(kāi)展優(yōu)快鉆完井技術(shù)攻關(guān)，研制的新型PDC鉆頭成功突破勝北白堊系厚礫巖、紅臺(tái)硬脆性泥巖PDC應(yīng)用瓶頸，首次實(shí)現(xiàn)勝北二開(kāi)全程PDC復(fù)合鉆井，刷新紅臺(tái)區(qū)塊最高單只進(jìn)尺記錄1814m，創(chuàng)鋼體PDC鉆頭成功應(yīng)用先例。研發(fā)新型防卡鉆具組合，制定煤層安全鉆井技術(shù)規(guī)范解決了巴喀區(qū)塊大段巨厚煤層安全鉆井難題，實(shí)現(xiàn)天然氣領(lǐng)域鉆井速度大幅提升。

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TE2

B

1004-5716（2016）07-0039-03

2016-03-17

2016-03-21

徐麗琴（1981-），女（漢族），四川眉山人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工藝技術(shù)研究工作。